人物訪談
數(shù)字孿生水利是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要標(biāo)志，人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)和 3S 技術(shù)的深度融合及應(yīng)用，對推進(jìn)數(shù)字孿生水利建設(shè)不可或缺。
▲水利部信息中心主任，水利部網(wǎng)信辦主任蔡陽
蔡陽，水利部信息中心主任，水利部網(wǎng)信辦主任，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家，兼任中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會副會長、國家大數(shù)據(jù)專家咨詢委員會委員、國家電子政務(wù)工程建設(shè)指導(dǎo)專家組成員、全國信息分類與編制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、國家信息安全等級保護(hù)專家委員會委員。
作為主要負(fù)責(zé)人組織編制全國水利信息化發(fā)展規(guī)劃，負(fù)責(zé)組織實施國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國家水資源管理系統(tǒng)等重大工程。榮獲國家科技進(jìn)步二等獎 2 項。
水是基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是生態(tài)與環(huán)境的控制性要素，水利工作關(guān)系國計民生，是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支撐，對保障水安全、推動經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。在我國歷史上，古有靈渠、都江堰、京杭大運河，今有三峽、南水北調(diào)，每項水利工程都對造福百姓、促進(jìn)社會發(fā)展起到了重大作用。當(dāng)前，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)及融合應(yīng)用，水利建設(shè)事業(yè)也進(jìn)入了全新的發(fā)展階段。
2000 年前后，數(shù)字水利概念出現(xiàn)。數(shù)字水利，即采用包括 3S 技術(shù)在內(nèi)的系列信息技術(shù)手段，對水利行業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造升級，讓決策更科學(xué)、更合理，提升水利事業(yè)的效率與效能。數(shù)字孿生水利是在數(shù)字水利的基礎(chǔ)上，融入云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的綜合應(yīng)用，進(jìn)一步實現(xiàn)對水利對象及水利活動的透徹感知、全面互聯(lián)、深度共享、智能應(yīng)用和泛在服務(wù)。
從數(shù)字水利到數(shù)字孿生水利，是新技術(shù)推進(jìn)的結(jié)果，更是新時代發(fā)展的要求。在 2023 年全國水利工作會議上，水利部部長李國英強調(diào)，要大力推進(jìn)數(shù)字孿生水利建設(shè)，實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能。數(shù)字孿生水利成為年度行業(yè)熱詞，受到多方關(guān)注。近兩年國家先后發(fā)布的多項文件中，“數(shù)字孿生水利”一詞多次出現(xiàn)。
水利部信息中心主任、網(wǎng)信辦主任，中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會副會長蔡陽，從頂層設(shè)計、建設(shè)重點、創(chuàng)新應(yīng)用、技術(shù)賦能、下步工作五個方面分享了對數(shù)字孿生水利的見解與思考，探討數(shù)字孿生水利建設(shè)如何推進(jìn)。
談頂層設(shè)計：強化指導(dǎo)，統(tǒng)一要求
過去十年，我國水利事業(yè)取得了舉世矚目的成就，水利信息化也進(jìn)入新的發(fā)展階段。水利部部長李國英明確提出，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，統(tǒng)籌建設(shè)數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程，構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的數(shù)字孿生水利體系。
蔡陽介紹，近年來，水利部主要從規(guī)劃、行政、工作、技術(shù)四個層面來逐步推進(jìn)數(shù)字孿生水利建設(shè)，均發(fā)布了相關(guān)指導(dǎo)性的文件，基本完成了數(shù)字孿生水利建設(shè)的頂層設(shè)計。
在規(guī)劃層面，水利部制定了《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《“十四五”數(shù)字孿生流域建設(shè)總體方案》等系列文件，明確了推進(jìn)智慧水利建設(shè)的時間表、路線圖、任務(wù)書，為智慧水利的建設(shè)提供了指引。
在行政層面，水利部出臺了《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出了智慧水利建設(shè)的總體要求、建設(shè)任務(wù)和保障措施；印發(fā)了《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》，明確了數(shù)字孿生流域建設(shè)共建共享工作要求，重點回答誰來建、如何共建、如何共享等問題，堅持“全國一盤棋”，確保不重不漏、資源共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。
在工作層面，考慮到數(shù)字孿生水利建設(shè)體系龐大、任務(wù)繁重、時間緊迫，需要按照頂層設(shè)計和相關(guān)技術(shù)文件要求，總體謀劃、科學(xué)組織、多方協(xié)同、合力推進(jìn)，水利部印發(fā)了《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實施方案》，明確了任務(wù)措施，落實了責(zé)任分工。數(shù)字孿生水利是一項技術(shù)難度大、實施復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和試點建設(shè)，水利部開展了先行先試工作，印發(fā)《關(guān)于開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的通知》，通過以數(shù)字孿生流域建設(shè)為主線，以數(shù)字孿生水利工程建設(shè)為切入點和突破口，以實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能為目的，在大江大河重點河段、主要支流及重要水利工程開展數(shù)字孿生水利建設(shè)先行先試，示范引領(lǐng)。
在技術(shù)層面，2022 年以來，水利部先后出臺了《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》等系列文件，明確了數(shù)字孿生水利的具體建設(shè)內(nèi)容，細(xì)化了技術(shù)要求，為各級水利部門數(shù)字孿生水利建設(shè)提供了基本技術(shù)遵循。
2022 年，蔡陽在《中國水利》雜志發(fā)布《以數(shù)字孿生流域建設(shè)為核心構(gòu)建具有“四預(yù)”功能智慧水利體系》文章，系統(tǒng)性地講述了智慧水利的建設(shè)背景、目標(biāo)與路徑，引發(fā)廣泛關(guān)注。“在不久前舉辦的 2023 中國水博覽會暨第十八屆中國（國際）水務(wù)高峰論壇上，有 160 余家單位企業(yè)參展，其中超過一半都在開展數(shù)字孿生水利。”蔡陽說，“數(shù)字孿生水利掀起了一股熱潮。”
談建設(shè)重點：加快推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)
為什么要加快推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)？蔡陽表示，這是順應(yīng)自然規(guī)律、管理體制、技術(shù)發(fā)展的需要。
首先，流域是降水自然形成的以分水嶺為邊界，以江河湖泊為紐帶的空間單元。水的自然屬性決定了由流域內(nèi)上下游、左右岸、干支流和地表地下的自然聯(lián)系，形成了天然的水系整體，流域內(nèi)山水林田湖草沙等各生態(tài)要素緊密聯(lián)系、相互影響、相互依存，構(gòu)成了流域生命共同體。所以強調(diào)要以流域為單元，這是順應(yīng)自然規(guī)律。
其次，流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性。這種特性決定了治水管水的思維和行為必須以流域為基礎(chǔ)單元，堅持流域系統(tǒng)觀念、堅持全流域“一盤棋”，實現(xiàn)流域統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一管理。歷史上黃河三年兩決口、百年一改道就是最生動寫照。中華人民共和國成立后，我國水管理體制實行以流域為單元與區(qū)域管理相結(jié)合的管理體制，全國層面設(shè)置七大流域管理機構(gòu)進(jìn)行流域管理，各地方也在轄區(qū)內(nèi)設(shè)置不同級別的管理機構(gòu)管理重點河湖。所以強調(diào)整個流域統(tǒng)籌考慮，這是順應(yīng)管理體制。
最后，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)是由水利工作的空間特點決定的，水利是一項大尺度、大范圍的工作，不可能在物理流域中試驗不同方案，只能在數(shù)字空間進(jìn)行反復(fù)預(yù)演，經(jīng)過綜合評估分析后選擇最優(yōu)方案，運用到實際工作中，這是順應(yīng)技術(shù)發(fā)展。
除了數(shù)字孿生流域之外，根據(jù)水利業(yè)務(wù)特點，水利部又先后提出數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生水網(wǎng)并進(jìn)行頂層設(shè)計。因此，統(tǒng)籌建設(shè)數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)和數(shù)字孿生水利工程，實現(xiàn)“2+N”業(yè)務(wù)應(yīng)用“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案），同步強化網(wǎng)絡(luò)安全和保障體系，是數(shù)字孿生水利體系的主要任務(wù)。
物理流域指由分水線所包圍的河流集水區(qū)，分地面和地下兩類集水區(qū)。物理水網(wǎng)是物理流域中的自然河湖水系與引調(diào)排水和調(diào)蓄工程的組合，也就是數(shù)字孿生流域中的自然河湖、數(shù)字孿生引調(diào)排水工程和調(diào)蓄工程等組成數(shù)字孿生水網(wǎng)。水利工程也涉及跨流域，因此，三者之間不是簡單包含關(guān)系。
“三者分別是物理流域、物理水網(wǎng)、物理水利工程在數(shù)字空間的映射，三者的關(guān)系決定于三個物理實體的相互關(guān)系，它們互不替代、各有側(cè)重、相對獨立、互聯(lián)互通、信息共享。”蔡陽說，“隨著數(shù)字孿生水利建設(shè)的逐步推進(jìn)，我們有了更多的突破口和切入點。”
談創(chuàng)新應(yīng)用：多個案例值得點贊
當(dāng)前，全國數(shù)字孿生水利建設(shè)工作穩(wěn)健起步，正在如火如荼開展，也取得了一些明顯成效，如平臺方面有近期正式發(fā)布的水利部數(shù)字孿生平臺暨全國水利一張圖 2023 版，數(shù)字孿生流域方面有數(shù)字孿生長江、數(shù)字孿生黃河等，數(shù)字孿生工程方面有數(shù)字孿生小浪底、數(shù)字孿生大藤峽等。這些成果在流域防洪和水資源管理與調(diào)配等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。
圍繞全國水利數(shù)據(jù)資源的整合應(yīng)用與共享，早在 2009年，水利部就聯(lián)合超圖啟動全國水利一張圖的建設(shè)，先后歷經(jīng) 2015 版、2019 版等版本的迭代，今年還發(fā)布了 2023 版，強化了數(shù)字孿生諸多新功能。蔡陽表示，全國水利一張圖的價值主要體現(xiàn)在：1. 實現(xiàn)“一張圖 + 多領(lǐng)域應(yīng)用”的新模式；2. 實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)工作與一張圖深度融合和良性循環(huán)。全國水利一張圖動態(tài)更新、功能強大、安全可靠，已成為水利工作最重要、最有效的基礎(chǔ)信息平臺。
長江委、黃委、淮委各自運用大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，打造了相應(yīng)的數(shù)字孿生流域，提升流域內(nèi)的水旱災(zāi)害防御水平，保障流域水工程持續(xù)發(fā)揮防洪供水等綜合效益，能更為有效地保護(hù)流域百姓生命財產(chǎn)安全。
數(shù)字孿生工程也取得了階段性進(jìn)展，數(shù)字孿生大藤峽工程是全國水利行業(yè)首個正式開工建設(shè)的數(shù)字孿生水利工程，項目對業(yè)務(wù)過程進(jìn)行全息精準(zhǔn)化模擬和超前仿真推演，在提高應(yīng)急處置能力，提高洪水預(yù)報精度和延長預(yù)見期，提升船閘的自動化運行能力和智能化水平，強化水資源配置保障粵港澳大灣區(qū)水安全，保護(hù)西江干流魚類資源等方面發(fā)揮了重要作用。
數(shù)字孿生小浪底通過數(shù)字孿生平臺及相關(guān)業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能建設(shè)，進(jìn)一步提升防洪（防凌）、減淤、供水、灌溉、生態(tài)、發(fā)電等綜合效益，有效提升小浪底水庫水量調(diào)度、生態(tài)調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度的科學(xué)性、精準(zhǔn)性和時效性，還增強應(yīng)對突發(fā)性事件的反應(yīng)能力，降低洪水災(zāi)害對工程保護(hù)范圍人民生命和財產(chǎn)安全造成的損失，提高工程防災(zāi)減災(zāi)效益。
談技術(shù)賦能：多技術(shù)應(yīng)用是必然，5 大重點須重視
隨著云計算、Web2.0 技術(shù)的發(fā)展，人類社會迎來了第三次信息技術(shù)浪潮，信息技術(shù)已經(jīng)融入到水利工程設(shè)計、建造和管理等各個環(huán)節(jié)，將賦予水利信息化建設(shè)無限可能。“人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)和 3S 技術(shù)的深度融合及應(yīng)用，對推進(jìn)數(shù)字孿生水利建設(shè)不可或缺。”蔡陽說。
例如，在數(shù)字孿生水利建設(shè)中，對于業(yè)務(wù)智能應(yīng)用和“四預(yù)”功能的實現(xiàn)，都離不開人工智能的加持，特別是大數(shù)據(jù)分析、遙感智能分析、視頻自動識別等。再如，不論是水利一張圖更新，還是數(shù)字孿生平臺的搭建，都需要 GIS 技術(shù)的支撐，這對 GIS 技術(shù)也提出了更高的要求：GIS 技術(shù)在水利工作中的應(yīng)用已從結(jié)合地理要素的水利信息查詢展示，發(fā)展到利用 GIS 進(jìn)行空間運算，實現(xiàn)水利信息的統(tǒng)計、分析與模擬演示等。
“超圖等 GIS 廠商，要不斷融合及創(chuàng)新人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提升服務(wù)，以更好地支撐數(shù)字孿生水利建設(shè)。”蔡陽說，“特別是二三維一體化的技術(shù)攻關(guān)，還要實現(xiàn)游戲引擎和 WebGL 引擎融合應(yīng)用，保證數(shù)據(jù)可視化效果；在數(shù)據(jù)挖掘方面，要通過大數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)價值來支撐應(yīng)用。希望超圖這樣自主創(chuàng)新的國產(chǎn) GIS 軟件，能在數(shù)據(jù)安全方面作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。”
蔡陽曾在《數(shù)字孿生水利建設(shè)中應(yīng)把握的重點和難點》一文中寫到，數(shù)字孿生水利建設(shè)覆蓋水利的各業(yè)務(wù)領(lǐng)域、各層級，涉及面廣，應(yīng)把握算據(jù)、算法、算力、智能應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)安全 5 個方面的建設(shè)重點。以算力為例，算力是數(shù)字孿生水利高效穩(wěn)定運行的重要支撐，必須適度超前，重點是信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，主要包括以下內(nèi)容：
1. 水利感知網(wǎng)。水利部本級建設(shè)感知數(shù)據(jù)匯集、視頻級聯(lián)集控和水利遙感服務(wù)等平臺。各流域管理機構(gòu)和省級水行政主管部門建設(shè)流域、區(qū)域感知數(shù)據(jù)匯集平臺，擴展定制視頻級聯(lián)集控平臺流域、區(qū)域節(jié)點，以及水利遙感服務(wù)平臺流域、區(qū)域節(jié)點，升級改造各類監(jiān)測站，并裝備無人機、無人船等設(shè)施。
2. 水利信息網(wǎng)。水利部本級、各流域管理機構(gòu)和省級水行政主管部門拓展網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通范圍，實現(xiàn)水利系統(tǒng)全覆蓋，優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，推進(jìn) IPv6 規(guī)模部署和應(yīng)用，擴大水利信息網(wǎng)帶寬。各流域管理機構(gòu)和省級水行政主管部門組織有關(guān)單位升級水利工程工控網(wǎng)等。
3. 水利云。建設(shè)包括水利部本級節(jié)點和 7 個流域管理機構(gòu)節(jié)點的一級水利云，省級水行政主管部門依托政務(wù)云、自建云等建設(shè)二級水利云。
他還總結(jié)了數(shù)字孿生水利建設(shè)的重點，主要體現(xiàn)在算據(jù)感知、算據(jù)更新、模型平臺、知識平臺、算力、業(yè)務(wù)應(yīng)用“四預(yù)”、網(wǎng)絡(luò)安全、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工作協(xié)調(diào)、資金投入、人才等方面。以算據(jù)感知為例，傳統(tǒng)監(jiān)測不滿足全要素、全過程數(shù)字化場景需要，無法支撐物理世界與虛擬世界交互的精準(zhǔn)性、同步性、及時性。因此，我們需要通過數(shù)字孿生水利建設(shè)牽引，倒逼物理流域、物理水網(wǎng)、物理水利工程監(jiān)測，構(gòu)建“天空地”一體化水利感知網(wǎng)：
1. 升級改造傳統(tǒng)水利監(jiān)測站網(wǎng)。檢視并修訂不符合數(shù)字孿生水利建設(shè)要求的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在水文、水資源、水利工程、水土保持等現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng)基礎(chǔ)上，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完善優(yōu)化站網(wǎng)布局，增設(shè)監(jiān)測要素，增加監(jiān)測頻次，升級改造傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)自動在線監(jiān)測。
2. 構(gòu)建新型水利監(jiān)測網(wǎng)。加強雷達(dá)、衛(wèi)星遙感、航空遙感、高清視頻、無人機、無人船、地面機器人、水下機器人等新型監(jiān)測手段應(yīng)用，融合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，支撐虛擬世界與物理世界交互的精準(zhǔn)性、同步性、及時性。
談下步工作：在水利一張圖基礎(chǔ)上，持續(xù)完善水利部數(shù)字孿生平臺
水利部 2023 年工作會議指出：完善全國水利一張圖，推進(jìn)數(shù)據(jù)挖掘分析，保障數(shù)據(jù)安全，強化遙感技術(shù)業(yè)務(wù)應(yīng)用。2023 年 6 月 20 日，水利部在小浪底水利樞紐召開數(shù)字孿生水利建設(shè)現(xiàn)場會，發(fā)布數(shù)字孿生平臺暨全國水利一張圖 2023 版，該平臺作為數(shù)字孿生水利的關(guān)鍵，通過有序匯集融合多源數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字化場景，實現(xiàn)多要素數(shù)字映射；以數(shù)學(xué)模型為核心建設(shè)水利通用模型平臺，實現(xiàn)物理流域同步仿真模擬；進(jìn)一步推動多層級、多方式共建共享，促進(jìn)流域防洪和水資源管理與調(diào)配等業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，率先賦能流域防洪“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”，有效支撐了精準(zhǔn)化決策，同時廣泛服務(wù)于水利行業(yè)，有力提升了水利治理管理活動的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，驅(qū)動和支撐了新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。
蔡陽解釋說：“全國水利一張圖還需不斷完善，要實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)和應(yīng)用動態(tài)更新，讓一張圖更加鮮活；一張圖是數(shù)據(jù)應(yīng)用的保障，要基于一張圖，特別通過一張圖對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與決策，來支撐數(shù)據(jù)孿生水利的建設(shè)；遙感影像數(shù)據(jù)是一張圖的圖層之一，從 2015 年開始一張圖的遙感數(shù)據(jù)就在每年覆蓋更新，今年力爭多次覆蓋，來更好支撐水利業(yè)務(wù)工作；不斷加強數(shù)據(jù)資源統(tǒng)籌管理、整合歸集、共享利用。”他還特別強調(diào)了數(shù)據(jù)安全問題，“數(shù)據(jù)泄露后果不堪設(shè)想，因此要讓數(shù)據(jù)拿不走，拿走了也讀不懂，確保水利網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全。”
蔡陽表示，下一步水利部聚焦數(shù)字孿生水利，將大力開展有關(guān)工作：構(gòu)建雨水情監(jiān)測“三道防線”，進(jìn)一步延長雨水情預(yù)見期、提高預(yù)報精準(zhǔn)度，有效應(yīng)對水旱災(zāi)害風(fēng)險；在水利一張圖基礎(chǔ)上，持續(xù)完善水利部數(shù)字孿生平臺，重點打造模型平臺和知識平臺，為數(shù)字孿生提供算法基礎(chǔ)；強化數(shù)據(jù)安全防護(hù)，建設(shè)數(shù)據(jù)安全基礎(chǔ)防護(hù)設(shè)施，推進(jìn)商用密碼應(yīng)用。
